Die Wärmepumpe gilt als eine der zukunftsträchtigsten Technologien für die Beheizung von Gebäuden. Ihr grundlegendes Funktionsprinzip erscheint auf den ersten Blick paradox: Sie entzieht der Umgebung Wärmeenergie und transportiert diese von einem kälteren zu einem wärmeren Ort. Besonders im Winter, wenn die Außentemperaturen deutlich unter dem Gefrierpunkt liegen können, stellt sich vielen die Frage, wie ein solches System überhaupt funktionieren kann. Schließlich soll die Wärmepumpe gerade dann ihre volle Leistung erbringen, wenn draußen eisige Kälte herrscht und der Heizbedarf im Gebäude am höchsten ist.
Die Skepsis gegenüber Wärmepumpen bei winterlichen Temperaturen ist durchaus verständlich, basiert jedoch häufig auf einem Missverständnis der zugrundeliegenden physikalischen Prinzipien. Tatsächlich können moderne Wärmepumpen auch bei Außentemperaturen von minus 20 Grad Celsius und darunter noch effizient arbeiten. Allerdings gibt es erhebliche Unterschiede zwischen den verschiedenen Wärmepumpentypen, die sich besonders im Winter bemerkbar machen. Während Luft-Wasser-Wärmepumpen direkt mit den schwankenden Außentemperaturen konfrontiert sind, profitieren Erdwärme- und Grundwasserwärmepumpen von den relativ konstanten Temperaturen unter der Erdoberfläche.
Das thermodynamische Grundprinzip
Um zu verstehen, wie eine Wärmepumpe im Winter funktioniert, muss man zunächst das thermodynamische Grundprinzip erfassen, das allen Wärmepumpen zugrunde liegt. Im Kern handelt es sich um einen geschlossenen Kältemittelkreislauf, der kontinuierlich durchlaufen wird. Dieser Kreislauf besteht aus vier wesentlichen Komponenten, die perfekt aufeinander abgestimmt zusammenarbeiten müssen.
Der Verdampfer bildet den ersten Kontaktpunkt mit der Wärmequelle, sei es die Außenluft, das Erdreich oder das Grundwasser. Hier zirkuliert ein spezielles Kältemittel, das bereits bei sehr niedrigen Temperaturen verdampft. Selbst wenn die Außentemperatur bei minus 15 Grad Celsius liegt, ist dies für das Kältemittel noch warm genug, um vom flüssigen in den gasförmigen Zustand überzugehen. Bei diesem Phasenübergang nimmt das Kältemittel Wärmeenergie aus der Umgebung auf, obwohl diese aus menschlicher Perspektive eisig kalt erscheint.
Das nun gasförmige Kältemittel wird anschließend zum Kompressor geleitet, dem Herzstück jeder Wärmepumpe. Hier wird das Gas unter hohen Druck gesetzt und komprimiert. Durch diesen Vorgang erhöht sich die Temperatur des Kältemittels erheblich, oft auf 60 bis 80 Grad Celsius oder mehr. Dies ist der entscheidende Schritt, bei dem elektrische Energie eingesetzt wird, um das bereits vorhandene Energieniveau weiter anzuheben. Der Kompressor ist auch der Grund, warum eine Wärmepumpe Strom benötigt, jedoch wesentlich weniger als eine direkte elektrische Heizung verbrauchen würde.
Im Verflüssiger, auch Kondensator genannt, gibt das heiße, komprimierte Kältemittelgas seine Wärmeenergie an das Heizsystem des Gebäudes ab. Dabei kühlt es sich ab und kondensiert wieder zu einer Flüssigkeit. Diese Wärmeübertragung erfolgt typischerweise über einen Wärmetauscher an das Heizungswasser, das dann durch die Heizkörper oder die Fußbodenheizung im Haus zirkuliert. Die abgegebene Wärmemenge ist dabei deutlich größer als die elektrische Energie, die der Kompressor verbraucht hat, da sie sich aus der Umweltwärme plus der Kompressorenergie zusammensetzt.
Das nun wieder flüssige, aber noch unter Druck stehende Kältemittel durchläuft abschließend das Expansionsventil. Hier wird der Druck schlagartig reduziert, wodurch die Temperatur des Kältemittels stark sinkt. Es erreicht wieder den niedrigen Ausgangszustand und kann im Verdampfer erneut Wärme aus der Umgebung aufnehmen. Der Kreislauf beginnt von vorn.
Der Schlüssel zum Verständnis liegt in der Unterscheidung zwischen Temperatur und Wärmeenergie. Auch in kalter Luft von minus 20 Grad Celsius sind noch Moleküle in Bewegung, die kinetische Energie besitzen. Erst am absoluten Nullpunkt von minus 273,15 Grad Celsius wäre alle thermische Energie entzogen. Das Kältemittel in der Wärmepumpe ist so konzipiert, dass es bei noch niedrigeren Temperaturen als die Wärmequelle verdampft und somit dieser noch vorhandene Energie entziehen kann.
Luft-Wasser-Wärmepumpen im Winter
Luft-Wasser-Wärmepumpen sind die am häufigsten installierten Systeme, da sie vergleichsweise kostengünstig und mit geringem baulichen Aufwand zu realisieren sind. Sie entziehen der Außenluft Wärmeenergie und übertragen diese auf das Heizungssystem. Gerade im Winter zeigt sich jedoch die größte Herausforderung dieser Technologie. Denn je kälter die Außenluft wird, desto geringer ist die verfügbare Wärmemenge und desto mehr Arbeit muss der Kompressor leisten, um die benötigte Heiztemperatur zu erreichen.
Bei milden Wintertemperaturen um den Gefrierpunkt arbeiten moderne Luft-Wasser-Wärmepumpen noch sehr effizient. Die Leistungszahl, auch COP genannt (Coefficient of Performance), beschreibt das Verhältnis von abgegebener Heizleistung zu aufgenommener elektrischer Leistung. Bei Außentemperaturen von plus 7 Grad Celsius erreichen gute Anlagen COP-Werte von 4 oder höher, das heißt, aus einer Kilowattstunde Strom werden vier Kilowattstunden Wärme. Bei minus 5 Grad Celsius sinkt dieser Wert typischerweise auf etwa 2,5 bis 3, was immer noch eine effiziente Energieumwandlung darstellt. Erst bei sehr tiefen Temperaturen unter minus 15 Grad Celsius können die Werte auf 2 oder darunter fallen.
Ein besonderes Phänomen bei Luft-Wasser-Wärmepumpen im Winter ist die Vereisung des Verdampfers. Wenn feuchte Luft über die kalten Lamellen des Verdampfers strömt, kann sich dort Eis bilden. Diese Eisschicht wirkt isolierend und behindert den Wärmeübergang zunehmend, wodurch die Effizienz weiter sinkt. Moderne Wärmepumpen verfügen daher über einen automatischen Abtauprozess. Dabei wird der Kältemittelkreislauf kurzzeitig umgekehrt, sodass warmes Kältemittel durch den Verdampfer strömt und das Eis abschmilzt. Während dieses Vorgangs, der typischerweise alle ein bis zwei Stunden für wenige Minuten stattfindet, steht keine Heizleistung zur Verfügung. Das entstehende Kondenswasser muss ordnungsgemäß abgeleitet werden, was bei der Installation berücksichtigt werden muss.
Die Häufigkeit und Dauer der Abtauzyklen hängt stark von der Außentemperatur und der Luftfeuchtigkeit ab. Besonders kritisch ist der Temperaturbereich knapp unter null Grad bei hoher Luftfeuchtigkeit. Bei sehr tiefen Temperaturen unter minus 10 Grad ist die Luft meist so trocken, dass weniger Vereisung auftritt. Dennoch summiert sich der Energieaufwand für das Abtauen über den Winter und mindert die Gesamteffizienz des Systems.
Trotz dieser Herausforderungen haben Luft-Wasser-Wärmepumpen in den letzten Jahren erhebliche technologische Fortschritte gemacht. Invertertechnologie ermöglicht eine stufenlose Anpassung der Leistung an den aktuellen Bedarf, wodurch taktende Betriebsweisen mit häufigem Ein- und Ausschalten vermieden werden. Spezielle Kältemittel mit verbesserten thermodynamischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen erweitern den effizienten Arbeitsbereich. Manche Hersteller bieten mittlerweile sogenannte Hochtemperatur-Wärmepumpen an, die auch bei minus 25 Grad Außentemperatur noch Vorlauftemperaturen von 60 Grad oder mehr erreichen können.
Sole-Wasser-Wärmepumpen (Erdwärmepumpen)
Sole-Wasser-Wärmepumpen, häufig auch als Erdwärmepumpen bezeichnet, nutzen das Erdreich als Wärmequelle und weisen im Winter deutliche Vorteile gegenüber Luft-Wasser-Systemen auf. Der entscheidende Unterschied liegt in der Temperatur der Wärmequelle: Während die Außenluft im Winter stark schwankt und weit unter den Gefrierpunkt fallen kann, bleibt die Temperatur im Erdreich bereits ab einer Tiefe von etwa zwei Metern nahezu konstant.
In Mitteleuropa beträgt die Erdreichtemperatur in 10 bis 15 Metern Tiefe ganzjährig etwa 10 bis 12 Grad Celsius. Diese stabile Wärmequelle ermöglicht es der Wärmepumpe, auch an den kältesten Wintertagen mit gleichbleibend hoher Effizienz zu arbeiten. Die Leistungszahl einer Erdwärmepumpe liegt typischerweise zwischen 4 und 5, und zwar relativ unabhängig von der Jahreszeit. Dies führt zu einer deutlich besseren Jahresarbeitszahl im Vergleich zu Luft-Wasser-Systemen, da gerade in der Heizperiode, wenn der Energiebedarf am höchsten ist, die Effizienz nicht einbricht.
Es gibt zwei grundlegende Varianten, um die Erdwärme zu erschließen. Bei Tiefenbohrungen werden eine oder mehrere Erdwärmesonden vertikal in den Boden eingebracht, typischerweise bis in Tiefen von 50 bis 100 Metern. In diesen Sonden zirkuliert ein Wärmeträgermedium, meist ein Wasser-Frostschutz-Gemisch, das auch als Sole bezeichnet wird. Dieses Medium nimmt die Wärme aus dem umgebenden Erdreich auf und transportiert sie zur Wärmepumpe an der Oberfläche. Der große Vorteil von Tiefenbohrungen liegt im geringen Flächenbedarf. Allerdings sind die Investitionskosten höher, und es sind behördliche Genehmigungen erforderlich.
Die Alternative sind Flächenkollektoren, bei denen Rohrleitungen horizontal in etwa 1,2 bis 1,5 Metern Tiefe verlegt werden. Diese Systeme benötigen eine deutlich größere Grundstücksfläche, da pro Kilowatt Heizleistung etwa 20 bis 40 Quadratmeter Kollektorfläche erforderlich sind. Der Vorteil liegt in den geringeren Installationskosten und dem einfacheren Genehmigungsverfahren. In dieser Tiefe schwanken die Temperaturen allerdings stärker mit den Jahreszeiten. Im Hochwinter kann die Erdreichtemperatur hier auf 0 bis 5 Grad Celsius sinken, was immer noch deutlich über der Außenlufttemperatur liegt, aber nicht die Stabilität von Tiefenbohrungen bietet.
Ein wichtiger Aspekt bei Erdwärmepumpen ist die thermische Regeneration des Erdreichs. Dem Erdreich wird kontinuierlich Wärme entzogen, was zu einer allmählichen Abkühlung führt. Bei korrekter Dimensionierung regeneriert sich das Erdreich während der Sommermonate durch Sonneneinstrahlung und versickerndes Regenwasser. Ist die Anlage jedoch überdimensioniert oder das Erdreich ungünstig beschaffen, kann es zu einer dauerhaften Auskühlung kommen, die die Effizienz langfristig beeinträchtigt. Moderne Planungstools und geologische Gutachten helfen, solche Probleme zu vermeiden.
Besonders in sehr kalten Klimazonen mit langen, strengen Wintern zeigen Erdwärmepumpen ihre Stärken. Während Luft-Wasser-Systeme hier an ihre Grenzen stoßen würden, arbeitet die Erdwärmepumpe unbeeindruckt weiter, da die Temperatur in der Tiefe von den Oberflächenbedingungen kaum beeinflusst wird. Dies macht sie zur bevorzugten Lösung für Regionen mit kontinentalem Klima, wo Wintertemperaturen regelmäßig unter minus 20 Grad Celsius fallen.
Wasser-Wasser-Wärmepumpen
Wasser-Wasser-Wärmepumpen nutzen das Grundwasser als Wärmequelle und stellen die effizienteste Variante unter den Wärmepumpensystemen dar. Grundwasser hat in Mitteleuropa ganzjährig eine relativ konstante Temperatur zwischen 8 und 12 Grad Celsius, unabhängig von den Außentemperaturen. Diese stabile und vergleichsweise hohe Quelltemperatur ermöglicht Leistungszahlen von 5 und mehr, selbst an den kältesten Wintertagen.
Das Funktionsprinzip basiert auf zwei Brunnen. Aus dem Förderbrunnen wird das Grundwasser entnommen und in den Schluckbrunnen wird das abgekühlte Wasser zurückgeführt. Das Grundwasser durchströmt einen Wärmetauscher, wo es seine Wärmeenergie an den Kältemittelkreislauf der Wärmepumpe abgibt und dabei um etwa 3 bis 5 Grad abkühlt. Anschließend wird es über den Schluckbrunnen wieder dem Grundwasser zugeführt. Dieser muss in ausreichendem Abstand und in Fließrichtung des Grundwassers hinter dem Förderbrunnen liegen, damit das abgekühlte Wasser nicht sofort wieder angesaugt wird.
Die hervorragende Effizienz im Winter macht Wasser-Wasser-Wärmepumpen besonders attraktiv für große Gebäude oder Liegenschaften mit hohem Wärmebedarf. Die konstanten Betriebsbedingungen führen zu geringeren Betriebskosten und einer längeren Lebensdauer der Anlage, da extreme Belastungsspitzen vermieden werden. Probleme mit Vereisung oder Effizienzeinbrüchen bei tiefen Temperaturen existieren praktisch nicht.
Allerdings sind die Voraussetzungen für diese Technologie anspruchsvoll. Das Grundwasser muss in ausreichender Menge und Qualität verfügbar sein. Die Brunnenbohrung erfordert eine wasserrechtliche Genehmigung, die nicht überall erteilt wird, insbesondere in Wasserschutzgebieten. Zudem muss die Wasserqualität stimmen. Zu hohe Konzentrationen von Eisen, Mangan oder Kalk können zu Ablagerungen und Korrosion im System führen. Vor der Installation sind daher hydrogeologische Untersuchungen und Wasseranalysen unerlässlich. Die Investitionskosten liegen deutlich über denen von Luft-Wasser-Systemen, können sich aber durch die höhere Effizienz und niedrigeren Betriebskosten über die Lebensdauer amortisieren.
In der Praxis werden Wasser-Wasser-Wärmepumpen oft für gewerbliche Objekte oder größere Wohngebäude eingesetzt, wo sich der höhere Installationsaufwand durch den hohen Wärmebedarf rechtfertigt. Für Einfamilienhäuser sind sie eine Option, wenn die geologischen und rechtlichen Voraussetzungen günstig sind und der Bauherr Wert auf maximale Effizienz legt.
Herausforderungen im Winterbetrieb
So ausgereift die Wärmepumpentechnologie heute auch ist, der Winterbetrieb stellt nach wie vor die größte Herausforderung dar. Dies gilt besonders für Luft-Wasser-Wärmepumpen, die direkt mit den extremen Außenbedingungen konfrontiert sind. Der grundlegende Zielkonflikt ist offensichtlich: Gerade wenn der Heizbedarf am höchsten ist, sinkt die Effizienz des Systems.
Bei sehr niedrigen Außentemperaturen kann die Leistungszahl so weit abfallen, dass die Wärmepumpe zwar noch funktioniert, aber kaum noch wirtschaftlicher als eine direkte elektrische Heizung arbeitet. Gleichzeitig steigt der Strombedarf des Kompressors überproportional an, da er einen größeren Temperaturhub überwinden muss. In Kombination mit dem ohnehin erhöhten Heizbedarf kann dies zu einer beträchtlichen Belastung sowohl für den Geldbeutel als auch für das Stromnetz führen.
Die Vereisungsproblematik bei Luftwärmepumpen wurde bereits erwähnt, verdient aber eine vertiefende Betrachtung. Eis am Verdampfer reduziert nicht nur die Effizienz, sondern kann bei mangelhafter Abtaufunktion zu mechanischen Schäden führen. Der Abtauprozess selbst verbraucht Energie und mindert die Netto-Heizleistung. In ungünstigen Fällen kann eine Wärmepumpe im Winter bis zu 15 Prozent ihrer Zeit mit Abtauen verbringen, was die Gesamteffizienz erheblich beeinträchtigt. Moderne Systeme verfügen über intelligente Steuerungen, die den Abtauzeitpunkt optimieren und unnötige Zyklen vermeiden, doch bleibt es eine systemimmanente Schwäche bei der Nutzung von Außenluft als Wärmequelle.
Ein weiteres Problem ergibt sich aus der begrenzten Leistung von Wärmepumpen bei sehr niedrigen Temperaturen. Die maximale Heizleistung einer Wärmepumpe sinkt mit fallender Außentemperatur. Eine Anlage, die bei minus 7 Grad noch ihre Nennleistung von beispielsweise 10 Kilowatt erbringt, liefert bei minus 20 Grad möglicherweise nur noch 6 bis 7 Kilowatt. Gleichzeitig steigt der Wärmebedarf des Gebäudes. Dieser Schereneffekt kann dazu führen, dass die Wärmepumpe allein nicht mehr ausreicht, um das Gebäude auf die gewünschte Temperatur zu halten.
Hier kommt das Konzept des bivalenten Betriebs ins Spiel. Dabei wird die Wärmepumpe durch eine zweite Wärmequelle ergänzt, die bei Bedarf zugeschaltet wird. Dies kann ein elektrischer Heizstab sein, der im Pufferspeicher oder im Heizkreislauf installiert ist, oder ein konventioneller Heizkessel, der mit Gas oder Öl betrieben wird. Der Punkt, an dem die Zusatzheizung eingeschaltet wird, heißt Bivalenzpunkt. Er wird bei der Planung so festgelegt, dass die Wärmepumpe den überwiegenden Teil des Jahreswärmebedarfs abdeckt, aber an den kältesten Tagen Unterstützung erhält. Typische Bivalenzpunkte liegen zwischen minus 5 und minus 10 Grad Celsius.
Die Wahl einer bivalenten Lösung ist eine wirtschaftliche Optimierung. Eine Wärmepumpe, die auch die letzten kalten Tage des Jahres allein bewältigen kann, müsste deutlich größer dimensioniert werden. Diese Überkapazität würde den größten Teil des Jahres nicht genutzt und die Investitionskosten erheblich steigern. Stattdessen wird die Wärmepumpe für die Durchschnittstemperaturen der Heizperiode ausgelegt, und die wenigen Extremtage werden durch die Zusatzheizung abgedeckt. Dies ist in der Regel die kosteneffizienteste Lösung, auch wenn sie einen gewissen Kompromiss bei der ökologischen Bilanz darstellt, falls fossile Energieträger als Backup dienen.
Optimierungsstrategien für den Winter
Die Effizienz und Zuverlässigkeit einer Wärmepumpe im Winter hängt nicht nur vom Gerät selbst ab, sondern maßgeblich vom Gesamtsystem aus Wärmepumpe, Gebäude und Wärmeverteilung. Eine ganzheitliche Betrachtung und Optimierung aller Komponenten ist der Schlüssel zu einem erfolgreichen Betrieb auch bei tiefen Temperaturen.
Die wichtigste Stellschraube ist die Vorlauftemperatur des Heizsystems. Wärmepumpen arbeiten umso effizienter, je geringer die Temperaturdifferenz zwischen Wärmequelle und Wärmesenke ist. Ein Niedertemperatur-Heizsystem mit Vorlauftemperaturen von 30 bis 40 Grad Celsius, wie es bei Fußbodenheizungen üblich ist, ist daher ideal. Bei solch niedrigen Temperaturen kann die Wärmepumpe auch an kalten Wintertagen noch mit guten Leistungszahlen arbeiten. Im Gegensatz dazu benötigen herkömmliche Heizkörper oft Vorlauftemperaturen von 50 bis 70 Grad, was die Effizienz der Wärmepumpe deutlich reduziert.
Wer eine Wärmepumpe in einem Bestandsgebäude mit vorhandenen Heizkörpern installieren möchte, sollte prüfen, ob diese für niedrigere Vorlauftemperaturen ausgelegt werden können. Oft hilft es schon, einzelne Heizkörper durch größere zu ersetzen oder zusätzliche Heizkörper zu installieren, um die erforderliche Vorlauftemperatur zu senken. Jedes Grad weniger bei der Vorlauftemperatur bringt einen messbaren Effizienzgewinn.
Die Gebäudedämmung ist der zweite kritische Faktor. Eine Wärmepumpe funktioniert in einem schlecht gedämmten Altbau zwar prinzipiell, aber die hohen Wärmeverluste erfordern eine entsprechend große Heizleistung und damit eine größere Wärmepumpe. Zudem laufen die Anlagen häufiger an der Leistungsgrenze und verbrauchen mehr Strom. Investitionen in die Dämmung der Gebäudehülle zahlen sich daher mehrfach aus: Der Wärmebedarf sinkt, die Wärmepumpe kann kleiner dimensioniert werden, die Betriebskosten fallen niedriger aus und die Effizienz steigt. Besonders kritisch sind die Fenster und die oberste Geschossdecke, die oft mit verhältnismäßig geringem Aufwand saniert werden können.
Pufferspeicher spielen im Winterbetrieb eine wichtige Rolle. Sie entkoppeln die Wärmeerzeugung vom unmittelbaren Verbrauch und ermöglichen es der Wärmepumpe, in längeren, gleichmäßigen Zyklen zu arbeiten, was die Effizienz steigert. Während der Abtauphasen bei Luftwärmepumpen kann der Pufferspeicher die Wärmeversorgung aufrechterhalten. Zudem ermöglicht er eine intelligente Betriebsführung, bei der die Wärmepumpe bevorzugt dann läuft, wenn günstigerer Heizstrom verfügbar ist oder die Außentemperaturen am höchsten sind.
Moderne Steuerungstechnik optimiert den Betrieb durch vorausschauende Regelung. Wetterprognosen werden einbezogen, um die Heizzeiten anzupassen. Bei angekündigten Kälteperioden kann der Pufferspeicher vorab aufgeladen werden, während in milderen Phasen die Wärmepumpe mit reduzierter Leistung arbeitet. Nachts können die Temperaturen in Schlafzimmern abgesenkt werden, was den Heizbedarf reduziert, ohne den Komfort zu beeinträchtigen.
Hydraulischer Abgleich und korrekte Einstellung der Heizkurve sind technische Details, die oft vernachlässigt werden, aber erheblichen Einfluss auf die Wintereffizienz haben. Beim hydraulischen Abgleich werden alle Heizkörper oder Heizkreise so eingestellt, dass jeder Raum die richtige Wärmemenge erhält. Ohne Abgleich werden näher an der Wärmepumpe liegende Räume oft überversorgt, während entfernte Räume zu kalt bleiben. Die Heizkurve definiert, welche Vorlauftemperatur bei welcher Außentemperatur gefahren wird. Eine optimal eingestellte Heizkurve sorgt dafür, dass die Vorlauftemperatur gerade so hoch ist wie nötig, aber nicht höher, was die Effizienz maximiert.